Pedeorelha | Cómo funciona la economía del hidrógeno

Phillip Hopkins
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Tuberías de vapor en la estación de generación geotérmica de Wairakei.

Parece que todos los días hay un nuevo anuncio en las noticias sobre automóviles propulsados por pilas de combustible. Las promesas son tentadoras, ya que las pilas de combustible tienen el potencial de duplicar muy rápidamente la eficiencia de los automóviles y reducir significativamente la contaminación del aire..

Al mismo tiempo, ha habido noticias durante décadas sobre los problemas asociados con el petróleo. Todo, desde los derrames de petróleo hasta las alertas de ozono y el calentamiento global, se atribuye a nuestra dependencia de los combustibles fósiles..

Estas dos fuerzas están llevando al mundo hacia lo que se conoce ampliamente como el economía de hidrógeno. Si las predicciones son ciertas, durante las próximas décadas todos comenzaremos a ver un cambio asombroso desde la economía de combustibles fósiles que tenemos hoy hacia un futuro de hidrógeno mucho más limpio..

Cuestionario sobre pilas de combustible
-Cómo funcionan las pilas de combustible
Proyecto Curiosity: imágenes de ciencia de materiales

¿Puede la sociedad realmente hacer este cambio, o las barreras tecnológicas, económicas y políticas nos mantendrán atados al petróleo y otros combustibles fósiles durante el próximo siglo y más allá? En este artículo, aprenderá sobre los beneficios de la economía del hidrógeno, junto con sus problemas potenciales. También examinaremos parte de la tecnología que haría posible la transición..

Actualmente, Estados Unidos y la mayor parte del mundo están atrapados en lo que podría llamarse el economía de combustible fósil. Nuestros automóviles, trenes y aviones se alimentan casi exclusivamente de productos derivados del petróleo como gasolina y diesel. Un gran porcentaje de nuestras centrales eléctricas utilizan petróleo, gas natural y carbón como combustible..

Si alguna vez se cortara el flujo de combustibles fósiles a Estados Unidos, la economía se detendría. No habría forma de transportar los productos que producen las fábricas. No habría forma de que la gente condujera al trabajo. Toda la economía, y de hecho toda la sociedad occidental, depende actualmente de los combustibles fósiles..

Si bien los combustibles fósiles han jugado un papel importante en llevar a la sociedad al punto en el que se encuentra hoy, existen cuatro grandes problemas que crean los combustibles fósiles:

La contaminación del aire - Cuando los automóviles queman gasolina, lo ideal es que la quemen perfectamente y no creen más que dióxido de carbono y agua en el escape. Desafortunadamente, el motor de combustión interna no es perfecto. En el proceso de combustión de la gasolina, también produce:

Monóxido de carbono, un gas venenoso
Óxidos de nitrógeno, la principal fuente de smog urbano
Hidrocarburos no quemados, la principal fuente de ozono urbano

Los convertidores catalíticos eliminan gran parte de esta contaminación, pero no son perfectos. La contaminación del aire de los automóviles y las centrales eléctricas es un problema real en las grandes ciudades.

Ya es bastante malo ahora que, en el verano, muchas ciudades tienen niveles peligrosos de ozono en el aire..

Contaminación ambiental - El proceso de transporte y almacenamiento de aceite tiene un gran impacto en el medio ambiente cuando algo sale mal.

Superpetroleros cargados de petróleo en Arabia Saudita

Un derrame de petróleo, la explosión de un oleoducto o un incendio en un pozo pueden crear un gran desastre. El derrame del Exxon Valdez es el ejemplo más conocido del problema, pero los derrames menores ocurren constantemente.

Calentamiento global - Cuando quema un galón de gasolina en su automóvil, emite aproximadamente 5 libras (2,3 kg) de carbono a la atmósfera. Si fuera carbono sólido, sería extremadamente notable: sería como arrojar una bolsa de azúcar de 5 libras por la ventana de su automóvil por cada galón de gasolina quemado. Pero debido a que las 5 libras de carbono salen como un gas invisible, dióxido de carbono, la mayoría de nosotros no nos damos cuenta. El dióxido de carbono que sale del tubo de escape de cada automóvil es un gases de efecto invernadero que está elevando lentamente la temperatura del planeta. Se desconocen los efectos finales, pero existe una gran posibilidad de que, eventualmente, haya cambios climáticos dramáticos que afecten a todos en el planeta. Por ejemplo, si los casquetes polares se derriten, el nivel del mar aumentará significativamente, inundando y destruyendo todas las ciudades costeras que existen en la actualidad. Ese es un gran efecto secundario.

Dependencia - Estados Unidos y la mayoría de los demás países no pueden producir suficiente petróleo para satisfacer la demanda, por lo que lo importan de países ricos en petróleo. Eso crea una dependencia económica. Cuando los productores de petróleo de Oriente Medio deciden subir el precio del petróleo, el resto del mundo no tiene más remedio que pagar el precio más alto..

En la sección anterior vimos los importantes problemas mundiales creados por los combustibles fósiles. La economía del hidrógeno promete eliminar todos los problemas que crea la economía de los combustibles fósiles. Por tanto, las ventajas de la economía del hidrógeno incluyen:

La eliminación de la contaminación causada por combustibles fósiles. - Cuando se usa hidrógeno en una celda de combustible para generar energía, es una tecnología completamente limpia. El único subproducto es el agua. Tampoco hay peligros ambientales como los derrames de petróleo de los que preocuparse con hidrógeno..
La eliminación de gases de efecto invernadero - Si el hidrógeno proviene de la electrólisis del agua, entonces el hidrógeno no agrega gases de efecto invernadero al medio ambiente. Hay un ciclo perfecto: la electrólisis produce hidrógeno a partir del agua y el hidrógeno se recombina con el oxígeno para crear agua y energía en una celda de combustible..
La eliminación de la dependencia económica - La eliminación del petróleo significa no depender de Oriente Medio y sus reservas de petróleo.
Producción distribuida - El hidrógeno se puede producir en cualquier lugar donde tenga electricidad y agua. Las personas incluso pueden producirlo en sus hogares con tecnología relativamente simple..

Los problemas con la economía de los combustibles fósiles son tan grandes, y las ventajas ambientales de la economía del hidrógeno son tan importantes, que el impulso hacia la economía del hidrógeno es muy fuerte..

Sabías?
Los sensores que detectan fugas potenciales en un motor de combustión interna impulsado por hidrógeno fueron desarrollados por la NASA para detectar fugas de hidrógeno durante los lanzamientos de transbordadores espaciales. Conozca otras innovaciones de la NASA en esta animación interactiva de Canal de descubrimiento.

La gran pregunta con la economía del hidrógeno es: "¿De dónde viene el hidrógeno?" Luego viene la cuestión del transporte, distribución y almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno tiende a ser voluminoso y complicado en su forma gaseosa natural.

Una vez que estas dos preguntas se respondan de manera económica, la economía del hidrógeno estará en su lugar..

Examinaremos cada una de estas preguntas por separado en las siguientes secciones.

-Uno de los problemas más interesantes de la economía del hidrógeno es el propio hidrógeno. De donde vendrá Con el ahorro de combustible fósil, simplemente bombea el combustible fósil del suelo (consulte Cómo funciona la perforación petrolífera) y lo refina (consulte -Cómo funciona la refinación de petróleo). Luego lo quemas como fuente de energía.

La mayoría de nosotros damos por sentado el petróleo, la gasolina, el carbón y el gas natural, pero en realidad son bastante milagrosos. Estos combustibles fósiles representan energía solar almacenada desde hace millones de años. Hace millones de años, las plantas crecieron utilizando energía solar para impulsar su crecimiento. Murieron y finalmente se convirtieron en petróleo, carbón y gas natural. Cuando bombeamos petróleo del suelo, accedemos a ese enorme almacén de energía solar "gratis". Siempre que quemamos un galón de gasolina, liberamos esa energía solar almacenada.

En la economía del hidrógeno, no hay almacén al que acceder. Tenemos que crear la e-nergy en tiempo real.

Hay dos posibles fuentes de hidrógeno:

Electrólisis de agua - Usando electricidad, es fácil dividir las moléculas de agua para crear hidrógeno y oxígeno puros. Una gran ventaja de este proceso es que puede hacerlo en cualquier lugar. Por ejemplo, podría tener una caja en su garaje que produzca hidrógeno a partir del agua del grifo, y podría alimentar su automóvil con ese hidrógeno..
Reforma de los combustibles fósiles - El petróleo y el gas natural contienen hidrocarburos, moléculas formadas por hidrógeno y carbono. Usando un dispositivo llamado procesador de combustible o reformador, puede separar el hidrógeno del carbono en un hidrocarburo con relativa facilidad y luego usar el hidrógeno. Descarta el carbono sobrante a la atmósfera como dióxido de carbono..

-La segunda opción es, por supuesto, un poco perversa. Está utilizando combustible fósil como fuente de hidrógeno para la economía del hidrógeno. Este enfoque reduce la contaminación del aire, pero no resuelve el problema de los gases de efecto invernadero (porque todavía hay carbono entrando en la atmósfera) ni el problema de la dependencia (todavía necesita petróleo). Sin embargo, puede ser un buen paso temporal durante la transición a la economía del hidrógeno. Cuando escuche que las compañías automotrices están desarrollando "vehículos propulsados por celdas de combustible" en este momento, casi todas planean obtener el hidrógeno para las celdas de combustible a partir de gasolina usando un reformador. La razón es que la gasolina es una fuente de hidrógeno fácilmente disponible. Hasta que haya "estaciones de hidrógeno" en cada esquina, como ahora tenemos las estaciones de servicio, esta es la forma más fácil de obtener hidrógeno para alimentar la celda de combustible de un vehículo..

Lo interesante de la primera opción es que es el núcleo de la economía real del hidrógeno. Tener un economía de hidrógeno puro, el hidrógeno debe ser derivado de recursos renovables en lugar de combustibles fósiles para que dejemos de liberar carbono a la atmósfera. Tener suficiente electricidad para separar el hidrógeno del agua y generar esa electricidad sin usar combustibles fósiles será el mayor cambio que veremos en la creación de la economía del hidrógeno..

La central eléctrica de Bayswater (Nueva Gales del Sur, Australia) genera electricidad mediante el uso de vapor presurizado para hacer funcionar turbogeneradores..

¿De dónde vendrá la electricidad para la electrólisis del agua? En este momento, alrededor del 68 por ciento (referencia) de la electricidad producida en los Estados Unidos proviene del carbón o del gas natural. Toda esa capacidad de generación tendrá que ser reemplazada por fuentes renovables en la economía del hidrógeno. Además, toda la energía de los combustibles fósiles que ahora se usa para el transporte (en automóviles, camiones, trenes, barcos, aviones) tendrá que convertirse en hidrógeno, y ese hidrógeno también se creará con electricidad. En otras palabras, la capacidad de generación eléctrica en el país tendrá que duplicarse para atender las demandas del transporte, y luego todo tendrá que pasar de combustibles fósiles a fuentes renovables. En ese punto, y solo en ese punto, se detendrá el flujo de carbono a la atmósfera..

En este momento hay varias formas diferentes de generar electricidad que no utilizan combustibles fósiles:

La energía nuclear
Represas hidroeléctricas
Células solares
Turbinas de viento
Energía geotermica
Energía de las olas y las mareas
Cogeneración (por ejemplo, un aserradero puede quemar corteza para generar energía, o un vertedero puede quemar el metano que produce la basura en descomposición).

En el sentido de las agujas del reloj desde arriba a la derecha: estación de energía solar eléctrica; planta de energía nuclear; presa hidroeléctrica; turbina eólica

En Estados Unidos, aproximadamente el 20 por ciento de la energía proviene actualmente de la energía nuclear y el 7 por ciento proviene de la energía hidroeléctrica. Las fuentes solares, eólicas, geotérmicas y otras generan solo el 5 por ciento de la energía, apenas lo suficiente como para importar.

En el futuro, salvo que se produzca algún avance tecnológico, parece probable que suceda una de dos cosas para crear la economía del hidrógeno: la capacidad de generación de energía nuclear o solar aumentará drásticamente. Recuerde que, en una economía de hidrógeno puro, la capacidad de generación eléctrica tendrá que duplicarse aproximadamente porque toda la energía para el transporte que actualmente proviene del petróleo tendrá que ser reemplazada por hidrógeno generado eléctricamente. Entonces, el número de plantas de energía se duplicará y todas las plantas de combustibles fósiles serán reemplazadas.

El problema de la generación eléctrica es probablemente la mayor barrera para la economía del hidrógeno. Una vez que la tecnología se refina y se vuelve económica, los vehículos de celda de combustible propulsados por hidrógeno podrían reemplazar los motores de combustión interna de gasolina en el transcurso de una o dos décadas. Pero cambiar las plantas de energía a energía nuclear y solar puede no ser tan fácil. La energía nuclear tiene problemas políticos y ambientales, y la energía solar actualmente tiene problemas de costo y ubicación.

Abierto para negocios
Las estaciones de llenado de hidrógeno ya están abiertas en varios países, incluidos Estados Unidos, Islandia, Japón y Alemania. Consulte FuelCells.org - Estaciones de abastecimiento de hidrógeno en todo el mundo para encontrar una estación de hidrógeno cerca de usted.

-En este momento, el problema de poner vehículos de hidrógeno puro en la carretera es el problema del almacenamiento / transporte. El hidrógeno es un gas voluminoso y no es tan fácil trabajar con él como la gasolina. Comprimir el gas requiere energía, y el hidrógeno comprimido contiene mucha menos energía que el mismo volumen de gasolina. Sin embargo, están surgiendo soluciones al problema del almacenamiento de hidrógeno..

Por ejemplo, el hidrógeno se puede almacenar en forma sólida en una sustancia química llamada borohidruro de sodio, y esta tecnología ha aparecido en las noticias recientemente porque Chrysler la está probando. Este químico se crea a partir del bórax (un ingrediente común en algunos detergentes). A medida que el borohidruro de sodio libera su hidrógeno, vuelve a convertirse en bórax para que pueda reciclarse..

Una vez que se resuelva y estandarice el problema del almacenamiento, entonces se tendrá que desarrollar una red de estaciones de hidrógeno y la infraestructura de transporte a su alrededor. La principal barrera para esto podría ser el proceso de clasificación tecnológica. Las estaciones no se desarrollarán rápidamente hasta que haya una tecnología de almacenamiento que domine claramente el mercado. Por ejemplo, si todos los automóviles propulsados por hidrógeno de todos los fabricantes usaran borohidruro de sodio, entonces una red de estaciones podría desarrollarse rápidamente; ese tipo de Estandarización Es poco probable que suceda rápidamente, si la historia es una guía..

También podría haber un avance tecnológico que podría cambiar rápidamente el campo de juego. Por ejemplo, si alguien pudiera desarrollar una batería recargable económica con alta capacidad y un tiempo de recarga rápido, los autos eléctricos no necesitarían pilas de combustible y no habría necesidad de hidrógeno en la carretera. Los coches se recargan utilizando electricidad directamente.

- Oirá más y más sobre la economía del hidrógeno en las noticias en los próximos meses, porque el ritmo de la batería es cada vez más fuerte. Los problemas medioambientales de la economía de los combustibles fósiles se combinan con los avances en la tecnología de pilas de combustible, y el emparejamiento nos permitirá dar los primeros pasos..

El paso más obvio que veremos es el marketing de vehículos propulsados por pilas de combustible. Aunque inicialmente funcionarán con gasolina y reformadores, las pilas de combustible incorporan dos mejoras importantes con respecto al motor de combustión interna:

Son aproximadamente el doble de eficientes.
Pueden reducir significativamente la contaminación del aire en las ciudades..

Los vehículos de pila de combustible que funcionan con gasolina son un excelente paso de transición debido a esas ventajas..

Mudarse a un economía de hidrógeno puro será más difícil. Las plantas generadoras de energía tendrán que cambiar a fuentes de energía renovables y el mercado tendrá que acordar formas de almacenar y transportar hidrógeno. Estos obstáculos probablemente harán que la transición a la economía del hidrógeno sea un proceso bastante largo..

Para obtener más información sobre la economía del hidrógeno y las tecnologías que la rodean, consulte los enlaces en la página siguiente..